VDES通信技术应用及其发展趋势*

姚治萱

一、引言

VDES（VHF Data Exchange System，甚高频数据交换系统）由AIS2.0（Automatic Identification System，船舶自动识别系统）概念发展而来，2013年由ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）和IALA（International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，国际航标协会）共同确立VDES概念[1]。

VDES是在现有AIS通信技术基础上，为进一步满足IMO（International Maritime Organization, 国际海事组织）主导的e-航海战略船-船、船-岸间数据交换需要而开发的海上宽带数字通信系统。VDES系统包括AIS业务、ASM（Application Specific Message，专用报文）业务和VDE（VHF Data Exchange, VHF数据交换）业务三种业务类型[2]，并得到了IMO的积极认可[3]。

2015年11月，ITU在WRC15（World Radio Conference 2015，2015世界无线电大会）上批准了陆基VDES系统频谱方案建议，并计划在2019年的WRC19上批准VDES卫星通信部分频谱方案建议，从而全面制定VDES技术特性国际标准。基于此，目前世界各个海运强国积极投入VDES相关技术的研究，我国多个海上通信技术研究团队也积极投入这一系统关键技术研究中。

IMO将VDES通信系统确定为e-航海战略中主要通信方式之一，在可预见的未来，VDES必将在船-船、船-岸之间海上安全信息交换领域具有十分广泛的应用空间，有效促进智能船舶、无人驾驶船舶和智能航运技术的快速发展，对国际航海领域产生深远的影响。

二、VDES技术发展路线

VDES计划从2013年至2021年完成涵盖三类业务的VDES台站设备标准制定，为VDES各类台站设备开发、性能测试标准设计、VDES系统联网测试等提供确定的标准依据，IALA确定的VDES标准制定路线图如图1所示。

在ITU组织的WRC15大会批准VDES地面系统技术方案的基础上，计划在2019年的WRC19大会上全面批准VDES卫星系统技术方案，并计划在2020年提交VDES性能标准提案至IMO MSC委员会和NCSR分委会讨论确定，期望在2021年或2022年通过VDES全面推广决议，为VDES全面推广应用奠定政策和技术基础。

VDES系统一旦进入推广应用阶段，配合e-航海战略和GMDSS现代化等战略的实施，其必将引起海上各类数字业务服务的变革，对海上业务发展、保障船舶航行安全、保护海上环境、提高航运效率都具有十分重要的意义。

图1 VDES系统实施标准制定路线图

三、VDES技术架构和关键技术

1.VDES系统技术框架

（1）VDES系统总体技术框架

VDES系统总体技术框架包括5方面，如图2所示，分别为船站设备、岸基设备、VDE卫星空间段、VDE卫星地面段、海上信息服务中心。

图2 VDES系统总体技术框架图

基于上述组成，未来VDES系统中包括的设备也具有多种类型，包括单一AIS业务类型设备、AIS+ASM业务类型设备、AIS+ASM+地面VDE业务类型设备、VDE岸站设备、VDE卫星载荷及VDE卫星地面控制设备。

（2）VDES台站设备总体技术架构

所有VDES终端设备中，包括空基VDES载荷设备，都需要具有上述设计的物理通信信道，同时能够兼容第一代AIS系统。因此，基本的VDES台站设备总体技术架构如图3所示。

图3 VDES台站设备总体技术架构图

由于VDES终端设备包含多个不同带宽、不同调制解调模式的收发信道，其调制解调模式、接入方式都按照自组织算法进行自适应信号处理。

同时，IALA推荐了VDES台站基本技术架构。在VDES台站基本技术架构中，就VDES接收机而言，需要至少4种类型的接收信道，包括：现有基于GMSK的AIS1和AIS2，基于其他数据调制解调模式ASM1和ASM2，基于新的调制解调模式的50千赫信道，基于新的调制解调模式的100千赫信道。

同时，发射部分也分别与此相对应。

目前，比较推荐基于软件无线电的超宽带采样射频结构，并基于数字滤波技术实现各信道的分.和信号提取，以实现多并行接收信道的数据处理功能方案。

2.VDES关键技术

针对VDES系统技术框架和各类型台站设备，除频谱方案属政策层面问题外，其他如信道管理技术、收发信机技术、多信道自适应调制解调技术、多算法联网接入技术及卫星载荷技术等都是VDES技术核心关键技术，需要逐一攻克，才能研制稳定、可靠、符合标准的VDES台站设备和系统。

（1）信道管理技术

基于现有的VDES频谱方案，VDES涵盖三种业务、九种类型的信道，这些信道调制解调方式不同，带宽不同，接入系统的机制不完全一样，各类业务同时并发机制和传输优先级也不一样。因此，设计前向兼容、协调、优化的信道数据并发机制和信道管理模式是当前VDES标准制定和设备研制过程中的核心关键问题之一。

就并发作业机制而言，VDES具有多类信道，存在不同信道同时接收数据和发射数据的情况，同时，考虑到前向兼容原有AIS业务，其发射过程中与其他信道数据通信的冲突会更加严重，因此，需重点研究和设计不同业务优先级协调解调机制和多信道并发机制[4]。

另外，由于VDES信道需要并发作业，信道管理和信道切换将更加复杂，设计一种合理的信道间切换和管理算法也十分必要。

（2）自适应数字调制解调技术

现有的AIS系统采用了GMSK调制解调模式，在25千赫信道上提供9.6比特率数据传输速率[5]。而在设计的VDES系统增加了如三、1节所述的多种业务和不同的调制解调技术。

为保证在单位载频上获得更高的通信速率，VDES采用的数字调制解调技术已十分成熟，且完全不同于GMSK模式。在当前的物理信道技术设计中，ITU建议采用基于自适应信道检测技术的自适应调制解调技术，为不同信道环境情况下的VDES信道和台站选择不同的调制解调技术，该技术使原有AIS研制机构需整体调整VDES台站设备和系统技术架构，攻关这一关键技术。

（3）VDES联网接入技术

当前正在设计的VDES系统共涉及三类六项业务信道，分别为两项AIS信道、两项ASM信道和两项VDE信道，未来还可能进一步扩展独立的卫星VDE信道。除AIS信道链路组网模型、算法较为确定外，ASM和VDE信道还需要进一步研究更高效的链路组网方案，具体需要研究：①以ASM信道为导频的VDE信道高效组网技术；②ASM与VDE信道自组织时隙管理算法与模型；③区别于adhoc的有限多跳VDE通信协议和最优算法；④VDES不同业务信道用户容量与性能。

（4）基于软件无线电的VDES收发信机关键技术

VDES收发信机涉及多个信道并行处理，高速宽带信号采样、窄带数字滤波、自适应调制解调技术、信号质量评估、弱信号检测、SPOC（片上处理系统，System Process On Chipset）基带芯片等都是基于软件无线电的VDES收发信机的重点研究技术。

（5）数据交换协议技术

在以上VDES台站设备研究、接入技术设计和系统架构设计基础上，不同台站设备之间的数据交换协议和电文格式需要重新设计，其不同于过去AIS中ITU-R M.1371-5附录8所定义的256 bit时隙电文。在VDES中，帧结构由子帧、超时隙、二进制时隙和时隙组成；除数据速率增加外，数据结构增加了更为复杂的同步字、链路识别ID、FEC纠错编码、CRC校验、填充、引导字等内容，使数据交换协议处理技术更加复杂。

另外，当前AIS采用了简单的自定义HDLC数据帧格式，在VDES高速数字通信过程中，国际相关研究机构正在研究论证能否采用基于现有通用寻址技术的TCP/IP数据交换协议。如果采用，其无线路由协议和移动IP技术在自组织VDES系统中是否适用，是否需要完善，都是VDES数据交换协议技术领域的重要议题。

（6）卫星VDES系统关键技术

在VDES设计框架中，卫星VDE占据着重要地位，所有信道都与卫星VDE相关，因此，针对卫星VDE系统，需要重点研究包括但不限于如下三方面关键技术：①卫星VDES系统多信道复用卫星载荷技术；②卫星VDES系统信道间抗干扰和数据冲突技术；③卫星VDES系统增值服务和推广机制研究。

其中，卫星载荷是卫星VDES系统的核心，信道抗干扰和数据冲突技术是卫星载荷的技术关键，并涉及卫星VDES天线技术。而增值服务与推广机制则直接关系到各个国家未来的利益，需要重点研究应对措施。

四、VDES技术应用与发展趋势

如前所述，VDES技术标准一旦确定并正式发布，将引起海上数字通信相关业务的变革，对海上安全信息交换、智能船/无人船应用发展等领域的发展都具有重要意义和极大的促进作用。

1.VDES在船岸安全信息服务领域的应用与发展趋势

VDES技术研究的主要目的是保障船舶航行安全。自2016年至今，e-航海战略发展受海上数字通信技术的限制，多项海上安全信息服务技术标准被搁置，如船舶报告标准、海上安全信息服务标准、来自岸基信息的统一协调显示标准等。因此，随着VDES技术的成熟和推广应用，海上船舶航行安全信息交换的瓶颈将被突破，从而使该领域进入快速发展轨道。

岸基对船舶的安全信息服务进入新的阶段。为保障船舶航行安全，沿岸国具有提供沿海水域航标助航服务、安全航行信息服务（如航警、搜救、冰况等信息）、水文气象服务、海图更新服务等，而这些信息之前多通过硬介质（如纸质、光盘等）进行更新，部分通过卫星提供服务，致使信息更新不及时，影响船舶航行安全。随着VDES技术的推广应用，将彻底解决这些问题。船舶到达相关区域后，岸基VDES系统会辅助岸基服务系统根据船舶航行区域自动更新和推送上述各类船舶航行安全信息，使船舶快速、自动、实时获取相关航行安全数据，保障船舶航行安全。

2.VDES在船船信息交换领域的应用与发展趋势

VDES技术的推广应用会从根本上改变当前通过AIS仅了解船舶单一位置的现状，使船舶之间能够进一步了解各自航行意图，从而在避碰作业中防止误判。同时，VDES技术支持更多的船船之间信息播发，使船舶间使用直接、明确的文字进行简单的沟通，解决当前海上航行区域船员之间语言不统一、表达不清晰而引起的安全问题。

3.VDES在智能船/无人船领域的应用与发展趋势

卫星通信无法支持实时的船-船通信，VDES技术是当前海上已知的唯一的数字通信系统。因此，VDES技术及其后续技术将会在智能船/无人船领域占据举足轻重的作用，特别是对无人船在复杂海域中航行具有重要价值和意义。随着智能经济的到来，智能船/无人船技术蓬勃发展，VDES技术的成熟应用和推广将进一步促进智能船/无人船的应用。

五、结论

VDES技术是第二代海上数字通信技术，是IMO主导的e-航海战略核心通信方式，对海上航行安全、海上经济发展及智能船/无人船的实践应用都具有重要的意义和促进作用。因此，在当前VDES技术标准制定阶段，研究VDES关键技术，了解VDES应用趋势可吸引更多产业力量和资源进入VDES技术领域，这对促进我国海上技术发展，推进我国海上成果国际化，发展海洋强国战略具有十分重要的意义。